A T46150. sz. pályázat (Alacsony hımérsékleti stressztolerancia és antioxidáns aktivitás közti kapcsolat vizsgálata gabonaféléknél) zárójelentése
Ritkán múlik el olyan év hazánkban, hogy a szélsıséges kontinentális éghajlatból eredıen ne kelljen valamilyen súlyos gazdasági következményekkel járó káros környezeti tényezıvel számolni. Hol egy hosszantartó, súlyos aszály, hol a rossz idıben, rossz helyen lezúduló túlzott csapadékmennyiségbıl eredı belvíz, hol a túlságosan kemény tél, vagy túl meleg nyár, esetleg valamilyen kártevı hirtelen megjelenésébıl adódó járvány teheti tönkre az adott év, vagy akár egy évtized munkáját. A növénynemesítıknek és a termesztıknek is egyaránt az az érdekük, hogy olyan növényekkel dolgozhassanak, melyek a környezet változásait a lehetı legkisebb mértékő károsodás mellett tolerálják. Ahhoz, hogy ilyen növényeket elı lehessen állítani, mindenekelıtt a növények egyes védekezı és szabályozási folyamatait kell megismerni.
Ehhez kapcsolódóan a kutatási tervben a következı feladatokat vállaltuk:
- Búza-rozs addíciós vonalak felszaporítása; Gabonafélék alacsony hımérsékleti edzés során bekövetkezı antioxidáns mőködésének vizsgálata az edzés kezdeti szakaszában: az egyes antioxidáns válaszreakciók sorrendjének meghatározása, a köztük levı esetleges kapcsolatok felderítése. - Speciális genetikai anyagok, elsısorban búza-rozs addíciós vonalak fagyállóságának tesztelése fitotroni klímakamrákban, és az antioxidáns rendszerük mőködésének vizsgálata. - Különbözı alacsony hımérsékleti edzéskörülmények hatásainak tanulmányozása az anyagcsere különbözı szintjein abból a célból, hogy elkülönítsük a tényleges fagyállóság kialakulásához szükséges folyamatokat az alacsony hımérsékleten fellépı stresszfolyamatoktól különbözı gabonafélékben. Különbözı gabonafélékben.
stresszfaktorok
antioxidáns
válaszindukcióinak
összehasonlítása
A megfelelı mértékő télállóság kialakításához még a kiváló fagyállósággal rendelkezı ıszi gabonafajták esetében is fontos, hogy mielıtt fagypont alatti hımérsékletre kerülnének, bizonyos idejő alacsony, de még fagypont feletti hımérsékleten történı edzési perióduson essenek át. Ismert, hogy az alacsony hımérséklet nemcsak a hidegérzékeny, hanem a hidegtőrı növényekben is megnöveli a reaktív oxigénfajták mennyiségét. Vizsgálataink korábbi erre vonatkozó kísérletsorozatában azt tanulmányoztuk, hogy milyen kapcsolat van a 1
gabonafélék fagyállósága és egyes antioxidáns enzimek aktivitása között. Az edzett és edzetlen növényeket összehasonlítva megállapítottuk, hogy a bokrosodási csomó esetében a vizsgált enzimek közül edzés hatására jelentıs növekedést a glutation-S-transzferáz (GST), a levélben szintén a GST, továbbá a guajakol-peroxidáz (POD) és az aszkorbát-peroxidáz (APX) mutatott. Az egyes antioxidáns enzimek közül azonban csak a hidegedzett növények levelébıl kivont APX és POD enzimek aktivitása mutatott szoros korrelációt a fagyállósággal. A fitotroni körülmények között kapott vizsgálataink eredményei szerint a különbözı antioxidáns enzimek edzés során bekövetkezı változásai azt mutatják, hogy az egyes gabonafajok eltérı stratégiát dolgoztak ki a reaktív oxigénformák mennyiségének szabályozásához. A késıbbi vizsgálatokban mindezt újabb, több genotípus bevonásával végzett fitotroni és szántóföldi kísérletekkel is megerısítettük. Ennek részeként többek közt rozs (Imperial) és tavaszi búza (Chinese Spring) addíciós vonalainak fagyállóságát is teszteltük. Az Imperiál nevő rozsfajta fagyállósága egyértelmő, a mortalitási arány mindössze néhány százalék. Ezzel szemben a donorként alkalmazott tavaszi búzafajta száz százaléka kihalt. Az addíciós vonalak közül a leghatékonyabb túlélınek az 5R és 6R vonalak bizonyultak, melyek esetében kismértékő fagyállóságnövekedés (30, ill. 10%) kimutatható volt, az antioxidáns enzimek aktivitása azonban nem különbözött olyan mértékben az egyes genotípusokban, hogy magyarázhatná a vonalak megemelkedett fagyállóságát (publikáció: elıkészületben). Az
elızıekhez
kapcsolódóan
kiegészítı
kísérletként
kukorica
hibridek
és
beltenyésztett vonalaik hidegtőrését, valamint antioxidáns kapacitását vizsgáltuk. Ehhez kilenc beltenyésztett vonalat és az ezekbıl létrehozott hat hibridet neveltünk, majd hidegkezeltünk fitotroni körülmények között. Megállapíthatjuk, hogy egyrészt a hibridek hidegtőrése rendszerint meghaladja a szülıkét, másrészt a hibridek hidegtőrése rendszerint kiegyenlítettebb, mint a beltenyésztett vonalaké. A kukorica esetében is igazolható, hogy bizonyos antioxidáns enzimek (pl. GR, APX) aktivitása már enyhe hideghatásra megnövekszik. Drasztikus stresszhatásra azonban már aktivitáscsökkenés tapasztalható. Ha a kukoricanövények hidegtőrési és antioxidáns adatait egybevetjük, azt mondhatjuk, hogy a két paraméter közvetlenül nincs összefüggésben egymással: az antioxidáns értékekbıl kukoricavonalak, illetve hibridek hidegtőrésére nem lehet biztonsággal következtetni. Ebbıl adódik, hogy bár a magas antioxidáns aktivitás feltehetıleg hozzájárul az alacsony hımérsékleti stresszt kísérı oxidatív károsodás jobb elviseléséhez, de önmagában nem elégséges a kellı mértékő hidegtoleranciához. Mindezek miatt egy adott antioxidáns enzim aktivitását mint hidegtőrési markert kukorica esetében a gyakorlat számára nem javasoljuk (publikáció: Janda et al., 2005, Cereal Res. Commun. 33: 541-548.). Különbözı stresszorok hatásainak összehasonlítása érdekében kiegészítı összehasonlító vizsgálatokkal megállapítottuk, hogy míg a polietilén-glikol kezeléssel indukált drasztikus szárazságstressz is önmagában csupán kismértékő változást okozott az egyes antioxidáns enzimek aktivitásában, Drechslera tritici-repentis gombafertızés azonban
2
már kismértékő stessz esetén is a jelentıs aktivitásemelkedést váltott ki (publikáció: Janda et al., 2008, Cereal Res. Commun. 36: 53-64.). A következı kísérletsorozatokban a megvilágításnak az ıszi búza fagyállóságát befolyásoló hatását vizsgáltuk. Elıször Mv Emese búzafajtát neveltünk 10 napig kontroll körülmények között (20/18 °C), majd a növények egy része alacsony hımérsékleten (5 °C) edzıdött tovább 12 napig vagy normál megvilágítás (PPFD = 250 µmol m-2 s-1), vagy alacsony fényintenzitás (PPFD = 20 µmol m-2 s-1) mellett. A növények másik része vagy kontroll körülmények között maradt, vagy 20/18 °C-on magasabb megvilágításra került (PPFD = 500 µmol m-2 s-1). A 12 napos edzést követı fagyteszt eredményei azt mutatják, hogy a fagyállóság mértéket nemcsak az edzési hımérséklet, hanem a megvilágítás is jelentısen befolyásolja: egyrészt az alacsony hımérsékleten végrehajtott edzés lényegesen hatékonyabb volt normál megvilágítás mellett, másrészt részleges fagyállóságot el lehet érni normál hımérsékleten is, ha a nevelési fényintenzitást megemeljük. Ezeket az eredményeket két fagyasztási hımérsékleten (-10 és -12 °C) végrehajtott tesztekkel erısítettük meg. Mindezek után arra kerestünk választ, hogy a fény milyen biokémiai, élettani folyamatokon keresztül járul hozzá a fagyállóság kialakulásához. Az egyes klorofill-a fluoreszcencia indukciós paraméterek különbözı körülmények közt történı hidegedzés során bekövetkezı változásait tekintve azt mondhatjuk, hogy a PS2 maximális kvantumhatásfokát jelzı Fv/Fm paraméter fényben 5 °C-on kismértékő csökkenést mutatott, ami arra utal, hogy ezek a növények az edzés alatt fotoinhibíciót is szenvedtek. Sötétben ilyen változás nem volt. Hasonló tendenciát mutatott az aktuális kvantumhatásfokot jelzı ∆F/Fm’ (∆F= Fm’-Fs), valamint a fotokémiai kioltás (qP) is. Ezen paraméterek összehasonlításánál azonban figyelembe kell venni, hogy a mérési körülmények csupán az Fv/Fm paraméternél standardok (sötétadaptált állapot, és ilyen tartományban a hımérsékletfüggés elhanyagolható), az utóbbi két paraméterben kapott különbségek nemcsak az „elıéleti”, vagyis az eltérı fény- és hımérsékleti viszonyokból is adódnak. A nemfotokémiai kioltás (qN) fényben történı edzés során jelentısen, alacsony fényitenzitásnál nem szignifikánsan magasabb volt. A következıkben a távoli vörös fény által indukált termolumineszcencia sáv alakulását vizsgáltuk kontroll és edzett búzanövényekben. A kontroll, 20/18 °C-on nıtt növényekben az AG-sáv csúcshımérséklete 41 °C körül volt. Normál megvilágítás mellett 12 napig hidegedzett növényekben a sáv alacsonyabb hımérsékletre, 36 °C-ra tolódott el. Alacsony megvilágítás (20 µmol m-2 s-1) mellett történı edzés során mindez nem volt megfigyelhetı, az AG-sáv csúcshımérséklete a kontroll, edzetlen növényekével megegyezı volt. A P700 oxidációs állapotának tanulmányozásához a sötétadaptált leveleket elıször 50 sig FR fénnyel világítottuk meg, és követtük nyomon a sötétben történı re-redukció kinetikáját, mely kétkomponenső exponenciális görbével jól illeszthetınek bizonyult. Ha a
3
különbözı körülmények közt edzett búzanövényekben kapott exponenciálisok idıkomponenseit összehasonlítjuk, látható, hogy a fényben történı hidegedzés hatására a reredukció mértéke felgyorsul. Alacsony megvilágítás mellett végzett edzés hatására a gyors komponens idıállandója nem változott, a lassú komponensé pedig megnıtt. Mindezek az eredmények a ciklikus elektrontranszportlánc edzés során bekövetkezı fokozott mőködésére utalnak (publikáció: Apostol et al., 2006, Z Naturforsch. C. 61c: 734-740). Ismert, hogy a membránlipidek kulcsszerepet játszanak a hımérsékleti adaptációban. Vizsgáltuk a foszfatidilglicerol (PG) zsírsavösszetételének változásait különbözı megvilágítás melletti fagyállósági edzés során Mv Emese ıszi búzafajtában. A legkifejezettebb változás a hexadekánsav-összetételben következett be. Levelekben ez a lipid nemcsak telített, hanem transz helyzető egyszeresen telítetlen formában is elıfordul. Ennek aránya (t16:1/16:0) alacsony hımérsékleti edzés során jelentısen lecsökkent. A csökkenés mértéke fényben nagyobb volt, mint sötétben, sıt magas fényintenzitás mellett normál hımérsékleten is bekövetkezett. A C-18-as zsírsavak telítetlenségi foka ebben a lipidosztályban nem változott számottevıen. A foszfatidil-etanolamin (PE) lipidosztály zsírsavösszetételének változását tanulmányozva megállapíthatjuk, hogy az általunk alkalmazott edzési körülmények között szignifikáns változás csak akkor következett be, amikor az edzés alacsony hımérsékleten és fényben történt. Ebben az esetben mind a 16:0, mind a 18:0 zsírsavak részaránya mintegy 30%-kal csökkent, a 18:3 zsírsav részaránya viszont megnıtt, ami jelentıs változást eredményezett a telítetlenségi indexben is. Más vizsgált lipidosztályokban, mint pl. monogalaktozil-diacil-glicerid (MGDG), vagy digalaktozil-diacil-glicerid (DGDG) szignifikáns változást nem tapasztaltunk. Összehasonlító vizsgálatként nemcsak alacsony hımérséklet, hanem egy gazdasági szempontból is fontos nehézfém, a kadmium hatását is vizsgáltuk egy másik gabonaféle, a kukorica membránlipid-összetételére. Kimutattuk, hogy érdekes módon nemcsak az alacsony hımérsékleti adaptáció, hanem bizonyos koncentrációjú kadmiumstressz is képes membránfluiditás-növekedést elıidézni. Ez is példa lehet arra, hogy különbözı eredető stresszorok átfedı jelátviteli utakon keresztül hasonló válaszreakciókat indukálnak (publikáció: Janda et al., 2007, Phytochemistry 68: 1674-1682). Az antioxidáns aktivitás kimutatása céljából 5 fontos antioxidáns enzim aktivitásának változását vizsgáltuk különbözı hımérsékleten és megvilágítás mellett végrehajtott edzés során. Alacsony hımérsékleti edzés (5 °C) 12 nap után kismértékő, de statisztikailag szignifikáns emelkedést indukált a glutation-reduktáz (GR) enzim aktivitásában. Ezen emelkedésnek a mértéke alacsony megvilágítás mellett nem volt szignifikáns. Hasonló jellegő változás mutatható ki az APX enzim aktivitásában is. Ennél azonban emelkedés volt tapasztalható akkor is, amikor alacsony hımérsékleten, alacsony fényintenzitáson edzıdtek a növények. A kataláz enzim aktivitása mindhárom esetben kismértékben, de statisztikailag szignifikánsan megnıtt. Mindezen enzimekkel szemben a POD enzim aktivitása abban az esetben nıtt meg, amikor az edzés alacsony hımérsékleten, alacsony fényintenzitás mellett
4
zajlott. A szuperoxid-dizmutáz enzim aktivitása egyik esetben sem mutatott szignifikáns változást (publikáció: Janda et al., 2007, Phytochemistry 68: 1674-1682). Mind az antioxidáns enzimek alacsony hımérsékleten bekövetkezı változásai, mind számos egyéb védekezı mechanizmus aktiválása kapcsolatba hozható egy jelátvivı anyag, a szalicilsav mőködésével (publikációk: Janda et al., 2007, In: Salicylic acid. A plant hormone; Horváth et al., 2007 J. Plant Growth Regul. 26: 290-300). Ezért az adott kísérleti rendszerünkben vizsgáltuk egyrészt a szalicilsav, másrészt ennek egy feltételezett prekurzorának az orto-hidroxi-fahéjsavnak (oHCA) a változását is. A szalicilsav mennyisége mind szabad, mind kötött formában nemcsak alacsony hımérséklető, fényben történı edzés során, hanem normál hımérsékleten magas fényintenzitás mellett is megnıtt. A szabad szalicilsav mennyiségének növekedése statisztikailag szignifikáns volt kis fényintenzitás mellett történı hidegedzés során is. A szabad orto-hidroxi-fahéjsav mennyisége mind a négyfajta mintában közel azonos volt. Ezzel szemben a kötött forma mennyisége nagyságrendekkel megnıtt abban az esetben, amikor az edzés alacsony hımérsékleten, normál megvilágítás mellett zajlott. Egyéb esetekben, tehát alacsony megvilágítás mellett, vagy nagy fénynél normál hımérsékleten ilyen változás nem volt kimutatható. (publikáció: Janda et al., 2007, Phytochemistry 68: 1674-1682). Mindezek az eredmények megerısítik azt a feltételezésünket, hogy a szalicilsavfüggı jelátviteli út szerepének tanulmányozásakor nemcsak magára a szalicilsavra, hanem egyes prekurzorainak a változásaira is figyelemmel kell lenni (publikációk: Horváth et al., 2007, Biol Plant 51: 480-487; Pál et al., 2005, Physiol. Plant. 125: 356-364).
Az AG termolumineszcencia sáv változása mint a különbözı stresszfaktorok indikátora A vizsgálatok fontos részét képezték az egyes stresszfaktorok hatásainak termolumineszcenciával (TL) történı tanulmányozása is. Termolumineszcenciát fotoszintetizáló anyagból hagyományosan általában a mintának jóval fagypont alá való hőtése után mérnek. Az újabb vizsgálatok azonban azt mutatták, hogy a fagyasztás bizonyos esetekben jelentıs mértékben befolyásolhatja a növények TL kibocsátását. Kísérleteinkben az elızetes fagyasztás különbözı TL komponensekre gyakorolt hatásait tanulmányoztuk különbözı növényfajokon. Búzát és kukoricát összehasonlítva megállapítottuk, hogy a két faj távoli vörös fény által indukált TL görbéje már a kontroll körülmények között lévı növényekben is jellegzetesen eltért: búzában a B-sáv csúcshımérséklete jelentısen alacsonyabb volt, mint kukoricában. Fagyasztás után búzában a membránkárosodásból eredı protongradiens megszőnésének köszönhetıen ez az érték a magasabb hımérsékletek irányába tolódott. A 40-45 °C körüli csúcshımérséklettel jellemezhetı AG-sáv búzanövényekben fagyasztás után is kimutatható volt, szemben a hidegérzékeny kukoricával, ahol már egy rövid idejő -1,5 °C-os fagyhatás is szignifikáns hatással van a távoli vörös fény által indukált TL 5
görbére: az AG-sáv amplitúdója jelentısen lecsökken, csúcspozíciója a magasabb hımérsékletek irányába tolódott. Alacsonyabb hımérsékleti kezelések hatására kukoricában az AG-sáv fokozatosan tovább csökken, majd egy küszöbérték alatt teljesen eltőnt. A B-sáv jelentısen alacsonyabb hımérsékleti fagyasztás után kezdett csak csökkenni, mint az AG-sáv. Ez jól látszik abból, hogy -3,3 °C-os fagyasztás után, mikor az AG-sáv már teljesen eltőnt, a B-sáv még nem változott. Egy küszöbérték alatt azonban egy hirtelen amplitúdócsökkenés következett be, de szemben az AG-sávval, a B-sáv még jóval alacsonyabb hımérsékletek mellett is detektálható volt. Borsó növényekben a távoli vörös fénnyel indukált AG-sáv viselkedése a búzáéval egyezett meg, muskátliban viszont egy kritikus hımérséklet alatt TL jel egyáltalán nem volt detektálható. A távoli vörös fénnyel indukált TL görbe fagyasztásra történı viselkedése uborka és tök esetében a kukoricára és a búzára (ill. borsóban) jellemzı görbék közé esett: a csökkenı hımérséklettel az AG-sáv fokozatosan csökkent, majd akárcsak a kukoricában, egy küszöbérték alatt teljesen eltőnt. A távoli vörös fény által indukált B-sáv azonban, akárcsak a búzában vagy a borsóban felfelé tolódott. Ennek amplitúdója gyakorlatilag nem csökkent szignifikánsan. Mindezzel szemben érdekes módon az egy elektronátmenetet megengedı ún. single turnover fényfelvillanással (flash-sel) indukált B-sáv nem mutatta ugyanezt a felfele tolódást. Kísérleteinkben igazoltuk, hogy intakt levelekben a flash gerjesztés egy összetett sávot eredményez, melynek magasabb hımérsékleti komponense tulajdonképpen egy AG-sáv (publikáció: Janda et al., 2004, Photochem. Photobiol. 80: 525-530).
Az eredmények gyakorlati alkalmazásának lehetıségei A vizsgálataink fı célja néhány kiemelkedıen fontos gazdasági növény különbözı típusú stresszhatásokra bekövetkezı válaszreakcióinak jobb megismerése volt. Ezektıl az eredményektıl többek közt azt várjuk, hogy lehetıséget biztosítanak arra, hogy célirányosabban lehessen kiválasztani azokat a folyamatokat, amelyek akár hagyományos növénynemesítési eljárással, akár biotechnológiai úton történı befolyásolásával a növények stressztőrı képessége hatékonyabban növelhetı. A kísérletek során több esetben (pl. termolumineszcencia alkalmazása különbözı növényfajok esetében, vagy búza esetében egyes antioxidáns enzimek vizsgálata során) sikerült összefüggést találni az egyes vizsgálat paraméter változása ill. az adott növény stressztőrı képessége között. Ezek a felismerések alkalmasak lehetnek a gyakorlat számára megfelelı tesztmódszerként való felhasználásra is. Mindezek mellett a szalicilsavval és rokon vegyületeivel kapcsolatos eredményeink bíztató alapot biztosítanak az adott vegyületek mint stresszvédı anyagok nagyléptékő, gazdaságos felhasználásának kidolgozásához.
6
